基于ARM嵌入式系統(tǒng)的通用bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).doc

基于ARM嵌入式系統(tǒng)的通用bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 緒 論：隨著嵌入式產(chǎn)品中高端微處理器ARM的加入以及軟件上操作系統(tǒng)的支持，使得整個(gè)嵌入式系統(tǒng)擁有了完整的構(gòu)架。現(xiàn)在，專門為嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)操作系統(tǒng)層出不窮，WINDOW CE，POCKET PC，Linux等等，各界關(guān)注地也特別多。然而，如何進(jìn)行加載操作系統(tǒng)這個(gè)問題卻很少有人提出。這就產(chǎn)生了另一個(gè)相關(guān)主題bootloader。Bootloader本身的功能就是引導(dǎo)與加載內(nèi)核鏡像。如何實(shí)現(xiàn)bootloader的基本功能，如何針對基于ARM體系的微處理器來實(shí)現(xiàn)bootloader，就成為本課題的一個(gè)基本論題。，除了基本功能，bootloader還能有什么更加具體的擴(kuò)展功能來方便各個(gè)系統(tǒng)開發(fā)者，都屬于本課題討論的范疇。第一章：ARM簡介第一節(jié)：ARM微處理器嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列。嵌入式微處理目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、MIPS、ARM系列等。其中，ARM是一種今年來在嵌入式系統(tǒng)中有著強(qiáng)大影響力的微處理器設(shè)計(jì)商和制造商，ARM的設(shè)計(jì)非常適合與小的電源供電系統(tǒng)。特別是，隨著近年來，微處理器結(jié)構(gòu)由RISC（精簡指令集）全面取代傳統(tǒng)的CISC（復(fù)雜指令集），因?yàn)锳RM是著名的RISC的擁護(hù)者。采用RISC結(jié)構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：1 體積小、低功耗、低成本、高性能；2 支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好地兼容8/16位器件；3 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；4 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；5 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；6 指令長度固定；下圖所示的是ARM構(gòu)架圖。它由32位ALU、若干個(gè)32位通用寄存器以及狀態(tài)寄存器、328位乘法器、3232位桶形移位寄存器、指令譯碼以及控制邏輯、指令流水線和數(shù)據(jù)/地址寄存器組成。1 ALU：它有兩個(gè)操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結(jié)果以及零檢測邏輯構(gòu)成。2 桶形移位寄存器：ARM采用了3232位的桶形移位寄存器，這樣可以使在左移/右移n位、環(huán)移n位和算術(shù)右移n位等都可以一次完成。3 高速乘法器：乘法器一般采用“加一移位”的方法來實(shí)現(xiàn)乘法。ARM為了提高運(yùn)算速度，則采用兩位乘法的方法，根據(jù)乘數(shù)的2位來實(shí)現(xiàn)“加一移位”運(yùn)算 ；ARM高速乘法器采用328位的結(jié)構(gòu)，這樣，可以降低集成度（其相應(yīng)芯片面積不到并行乘法器的1/3）。4 浮點(diǎn)部件：浮點(diǎn)部件是作為選件供ARM構(gòu)架使用。FPA10浮點(diǎn)加速器是作為協(xié)處理方式與ARM相連，并通過協(xié)處理指令的解釋來執(zhí)行?？刂破鳎篈RM的控制器采用的是硬接線的可編程邏輯陣列PLA。 A31:0 控制地址寄存器 指令譯碼及控制 增值器 寄存器堆 A L U 總 乘法器 線 線 總 A 桶式 B 移位器 總 線 ALU 數(shù)據(jù)輸出寄存器 數(shù)據(jù)輸入寄存器 D31:0ARM構(gòu)架圖處理器模式可以通過軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過外部中斷或異常處理過程進(jìn)行切換。大多數(shù)的用戶程序運(yùn)行在用戶模式下，這時(shí)，應(yīng)用程序不能夠訪問一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理器模式的切換。當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式的切換時(shí)，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過程中進(jìn)行模式的切換。這種體系結(jié)構(gòu)可以使操作系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的資源。ARM處理器共有7種運(yùn)行模式，如下表所示：第二節(jié)：ARM最小系統(tǒng)的描述對于任何一個(gè)系統(tǒng)，都希望不是一個(gè)虛擬系統(tǒng)，也就是說系統(tǒng)都希望是特定系統(tǒng)，即有具體的CPU，有具體的存儲(chǔ)芯片以及有各種具體的外圍控制模塊。對于本課題來說，最終的bootloader也必須在具體的系統(tǒng)上運(yùn)行起來。但是，任何一個(gè)ARM系統(tǒng)，在沒有特定指定的條件下，仍然可以將通用特性（一些通用基本控制模塊）描述出來，在此稱之為ARM最小系統(tǒng)，見下圖：處理器模式處理器模式描述用戶模式（User，usr）正常程序執(zhí)行的模式快速中斷模式（FIQ，fiq）用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理普通中斷模式（IRQ，irq）用于通常的中斷處理監(jiān)管模式（Supervisor，svc）供操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式數(shù)據(jù)訪問中止模式（Abort，abt）用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)未定義指令中止模式（Undefined，und）用于支持通過軟件方針硬件的協(xié)處理器系統(tǒng)模式（System，sys）用于運(yùn)行特權(quán)級(jí)的操作系統(tǒng)任務(wù) Memory 控制器 GPIO控制模塊 系 外 統(tǒng) 總線橋接 圍 總 串口 線 總 線ARM core 中斷控制器 中斷ARM最小系統(tǒng)第二章：Bootloader的概念第一節(jié)：感念介紹bootloader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行前運(yùn)行地一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化必要的硬件設(shè)備，創(chuàng)建內(nèi)核需要的一些信息并將這些信息通過相關(guān)機(jī)制傳遞給內(nèi)核，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核，真正起到引導(dǎo)和加載內(nèi)核的作用。bootloader是依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的，特別是在嵌入式系統(tǒng)中。不同的體系結(jié)構(gòu)需求的bootloader是不同的；除了體系結(jié)構(gòu)，bootloader還依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置。也就是說，對于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們基于相同的CPU構(gòu)建，運(yùn)行在其中一塊電路板上的bootloader，未必能夠運(yùn)行在另一塊電路開發(fā)板上。一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度看通?？梢苑譃樗膫€(gè)層次：引導(dǎo)加載程序、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序。第二節(jié)：bootloader的操作模式大多數(shù)bootloader都包含兩種不同的操作模式：“啟動(dòng)加載”模式和“下載”模式，這種區(qū)別對于開發(fā)人員才有意義。但從最終用戶的角度看，bootloader的作用永遠(yuǎn)就是用來加載操作系統(tǒng)，而并不存在所謂的啟動(dòng)加載模式與下載工作模式的區(qū)別。啟動(dòng)加載模式：這種模式也稱為“自主”模式，即bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固體存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行，整個(gè)過程沒有用戶的介入。這種模式是bootloader的正常工作模式，因此當(dāng)以嵌入式產(chǎn)品發(fā)布的時(shí)候，bootloader必須工作在這種模式下。下載模式：在這種模式下，目標(biāo)機(jī)上的bootloader將通過串口或者網(wǎng)絡(luò)連接或者其它通信手段從主機(jī)下載文件，比如：下載內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)鏡像等。從主機(jī)下載的文件通常首先被bootloader保存到目標(biāo)機(jī)的RAM中，然后被bootloader寫到目標(biāo)機(jī)上的FLASH類固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。Bootloader的這種模式通常在第一次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)時(shí)使用；此外，以后的系統(tǒng)更新也會(huì)使用bootloader的這種工作模式。工作于這種模式下的bootloader通常都會(huì)向它的中斷用戶提供一個(gè)簡單的命令行接口。第三節(jié)：模式設(shè)計(jì)對于普通用戶來說只需要bootloader的啟動(dòng)加載模式，但是對于開發(fā)者來說，則需要下載模式，因?yàn)樗麄冃枰獣r(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行一些鏡像的更新。為了在兩者之間做到兼顧，本課題既支持啟動(dòng)加載模式，也支持下載模式，具體思路為：在bootloader做完一些硬件初始化工作后，而在加載內(nèi)核鏡像之前，先在一定的時(shí)間內(nèi)等待有沒有用戶有鍵盤輸入，如果沒有，則為啟動(dòng)加載模式，直接加載內(nèi)核鏡像進(jìn)行啟動(dòng)；如果有，則進(jìn)入命令行格式，這時(shí)開發(fā)者就可以根據(jù)自己的需要以及bootloader的支持情況，做一些其他的工作。模式的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)主要在階段2中實(shí)現(xiàn)。綜合起來，整個(gè)bootloader的實(shí)現(xiàn)流程可以如下圖所示： 基本硬件初始化 階段1 拷貝階段2鏡像至RAM 進(jìn)入階段2開始執(zhí)行 擴(kuò)展功能所需硬件初始化 拷貝內(nèi)核鏡像至RAM中 階段2 等待50ms 看是否串口有 輸入 是 否 進(jìn)入下載模式 跳轉(zhuǎn)至內(nèi)核鏡像 接收命令第三章：總結(jié)本文主要介紹的是基于ARM嵌入式系統(tǒng)通用bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。由于bootloader是與具體的硬件系統(tǒng)緊密相關(guān)的，所以在具體的實(shí)現(xiàn)上，主要以Intel Xscale 核心的PXA255為處理器構(gòu)建的硬件系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，以Linux為操作系統(tǒng)來闡明一個(gè)bootloader的設(shè)計(jì)過程。而對于ARM系統(tǒng)的通用bootloader，本文則從理論上來闡述對于一個(gè)ARM系統(tǒng)，bootloader所要實(shí)現(xiàn)的功能以及在實(shí)現(xiàn)bootloader時(shí)的一些軟硬件上的規(guī)定，并且結(jié)合實(shí)現(xiàn)的bootloder，進(jìn)一步的說明如何通過已實(shí)現(xiàn)的bootloader來進(jìn)